Початок arrow Справка arrow Безопасность arrow Использование сторонних и открытых проводящих частей в качестве PEN-проводников

Использование сторонних и открытых проводящих частей в качестве PEN-проводников

В проблеме использования сторонних проводящих частей (СПЧ) и открытых проводящих частей (ОПЧ), в том числе алюминиевых оболочек кабелей (бронированных и небронированных), в качестве PEN-проводников [1] имеется ряд неясных вопросов. К числу неясных вопросов относятся и нормативные основы. В связи с наметившейся тенденцией согласования Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [2] со стандартами Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) представляется необходимым рассмотреть нормативные основы использования СПЧ и ОПЧ в качестве PEN-проводников на базе сравнительного анализа требований ПУЭ и стандартов МЭК [3]. [4], [5], [6]. Результатом такого рассмотрения должна явиться разработка непротиворечивой системы нормативных основ использования СПЧ и ОПЧ в качестве PEN-проводников на базе требований ПУЭ и стандартов МЭК.
Важнейшей задачей электротехники становится создание безопасных электроустановок. Современная философия электробезопасности основывается на принципе эквипотенциальности всех токопроводящих частей (ПЧ), включая открытые проводящие части электроустановок (ОПЧ), а также сторонние проводящие части (СПЧ), в том числе, металлические и железобетонные строительные конструкции зданий и сооружений.
В свете этих двух тезисов рассмотрим условия электробезопасности в электроустановках напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью  —  система питания TN-C (четырехпроводная система, в которой функции нулевого рабочего проводника  —  N и нулевого защитного проводника  —  РЕ объединены в одном проводнике  —  PEN)  —  см. рис. 1.
Натурные испытания проводящих свойств стального каркаса производственного здания ограничиваются тремя известными работами В. П. Тихонова [7], Р. Кауфмана [8] и Т. Гингера, О. Давидсона и Р. Брандела [9]. К сожалению недостаточный объем экспериментальных исследований и отсутствие необходимых теоретических обобщений не позволили авторам этих работ обосновать возможность и целесообразность использования стального каркаса производственного здания в качестве PEN-проводника. В силу этого обстоятельства в настоящее время отечественные и международные нормативные документы запрещают использовать сторонние проводящие части (СПЧ) в качестве PEN-проводников, что, как было установлено в работе, не позволит обеспечить электробезопасность при повреждении изоляции электроустановки.
В частности, в стандарте МЭК 364-5-54-80 + At.l(82) в п. 543.2.5 сказано: «Сторонние проводящие части не должны использоваться в качестве PEN- проводника».
Схема цепи обратного тока в системе TN
Рис. 1  Схема цепи обратного тока в системе TN:
PEN  —  нулевой защитный проводник; 1  —  защитный проводник (РЕ-проводник); 3  —  заземляющий проводник (РЕ-проводник); 4  —  вспомогательный проводник системы уравнивания потенциалов (РЕ-проводник), ГЗЗ  —  главный зажим заземления: ОПЧ —  открытая проводящая часть (электрооборудования); СПЧ —  сторонняя проводящая часть; В  —  металлический стояк водопровода; 3  —  заземлитель; N  —  нулевой рабочий проводник; Lu L2> L$  —  фазные проводники
В правилах устройства электроустановок (ПУЭ-87, 6-е изд.) содержится формулировка (п. 1.7.81, абз. 3); «В производственных помещениях с нормальной средой допускается использовать в качестве нулевых рабочих проводников указанные в п. 1.7.73. металлические конструкции (СПЧ-Р.К.), трубы, кожухи и опорные конструкции шннопроводов (ОПЧ-Р.К.) для питания одиночных однофазных электроприемников малой мощности...». Другими словами, в ПУЭ  —  6-е изд. разрешается использовать сторонние проводящие части (СПЧ) и открытые проводящие части (ОПЧ) в качестве N-проводника для питания однофазных электроприемников малой мощности. Эта формулировка разрешает устройство электроустановок, не обеспечивающих дополнительную защиту от косвенного прикосновения при повреждении изоляции. В то же время ПУЭ  —  6-е изд. не содержит каких бы то ни было рекомендаций, разрешающих или запрещающих использование сторонних проводящих частей (СПЧ) в качестве PEN-проводников.
В ГОСТ Р50571.10 — 96 [10] (Дата введения 1997-01-01) запрет на использование (СПЧ) в качестве PEN-проводника сформулирован жестко: «543.2.5. Использование СПЧ в качестве PEN-проводника запрещается». Это обстоятельство приводит к тому, что открытые проводящие части защищаемой электроустановки при однофазном к.з (ОКЗ) на корпус электроустановки приобретают опасный потенциал, достигающий 2/3 фазного напряжения электроустановки (153 В при фазном напряжении 230 В).
Для уравнивания потенциалов защищаемые PEN-проводником открытые проводящие части электроустановки (ОПЧ) должны быть соединены эквипотенциальными связями с доступными одновременному прикосновению всеми сторонними проводящими частями, в том числе металлическими и железобетонными конструкциями зданий и сооружений [2], [6]. В этом случае 4-я жила кабеля системы TN-C, выполняющая функцию PEN-npoводника, оказывается зашунтированной сторонними проводящими частями, в том числе металлическими и железобетонными строительными конструкциями, которые, таким образом, оказываются одной из параллельных цепей PEN-проводника. Такое явление имеет место во всех современных электроустановках вопреки требованию п. 543.2.5. стандарта МЭК 364-5-54 [3]. При этом, как показали специальные экспериментальные исследования, проведенные ВНИИПроектэлектромонтажом совместно с трестом Татэлектромонтаж, при однофазном к.з. (ОКЗ) потенциал защищаемого оборудования не превышает предельно допустимого безопасного значения 6 В (См. стандарт МЭК 364-4-41. 1992. п. 411,1.5.2. [6], [11], и одновременно существенно возрастает значение тока ОКЗ, что повышает надежность защиты от к.з.
Таким образом, решение проблемы создания безопасных промышленных электроустановок зданий и сооружений связано не только с разработкой концепции безопасности, проведением теоретических и экспериментальных исследований системы TN-C, но также и с принципиальным изменением основных требований ПУЭ и ГОСТ Р 50 571.10 — 96 к PEN-проводнику.
Исходя из вышеизложенного, проанализируем требования и рекомендации ПУЭ [2] и стандартов МЭК, относящихся к использованию СПЧ в системе TN.
В ПУЭ не допускается использование СПЧ в качестве N-проводника; в порядке исключения допускается: использовать их «...для питания одиночных однофазных электроприемников малой мощности, например, в сетях до 42 В...»
На использование СПЧ в качестве PEN-проводника в системе TN-C прямого запрета нет. Однако между п. 1.7.81, не допускающим использования СПЧ в качестве N-проводника, а следовательно, и PEN-проводника, и п. 1.7.18, 1.7.47, 1.7.73, рекомендующими применение системы TN-C, в которой четвертая жила кабеля (PEN-проводник) шунтирована СПЧ (PEN-проводник), имеется существенное противоречие.
Стандарт МЭК 364-4-54 запрещает использовать СПЧ в качестве N- и PEN-проводников и в отличие от ПУЭ исключений не допускает. Однако требование п. 543.2.5 стандарта противоречит требованию п. 546.2.1, регламентирующего сечение четвертой жилы кабеля (используется в качестве PEN-проводника), шунтированной в соответствии с требованиями МЭК СПЧ, выполняющими функцию PEN-проводника.
Таблица 1.


Проводник

Требования, относящиеся к использованию СПЧ

Пункт ПУЭ

Примечание

N (система

Не допускается использо

1.7.61, 1.7.81

 

TN-S)

вать в качестве N-проводни-

 

 

 

ка; как исключение допуска

 

 

 

ется в сетях до 42 В (для пи

 

 

 

тания электроприемников ма

 

 

 

лой мощности)

 

 

РЕ (система

Могут быть использованы

1.7.73

Рекомендуется исполь

TN-S)

в качестве единственных РЕ-

 

зовать в качестве РЕ-про

 

проводников, если в части

 

водника при выполнении

 

проводимости они удовлет

 

требований п. 1.7.79 ПУЭ

 

воряют требованиям ПУЭ и,

 

 

 

кроме того, обеспечивается

 

 

 

непрерывность цепи на всем

 

 

 

протяжении и х использования

 

 

PEN (система

Прямого запрета на ис

1.7.18, 1.7.47,

Рекомендуется исполь

TN-C)

пользование в качестве PEN-

1.7.61, 1.7.73,

зовать в качестве PEN-

 

проводннка нет, между п. 1.7.

1.7.81

проводника, шунтирую

 

81 и п. 1.7.18, 1.7.73 имеется

 

щего четвертую жилу ка

 

существенное противоречие

 

беля

Для устранения внутренних противоречий в ПУЭ и в стандартах МЭК следует систематизировать содержащиеся в них требования, при этом необходимо исходить из следующих рекомендаций и положений.
1. При использовании четырехжильных кабелей в системе TN четвертая жила, выполняющая роль PEN-проводника, неизбежно (по условию обеспечения эквипотенциальности) шунтирована сторонними проводящими частями (СПЧ), которые являются одной из параллельных цепей, образующих PEN-проводник.

Таблица 2.


Проводник

Требования, относящиеся к использованию СПЧ

Пункт стандарта МЭК 364-5-54

Примечание

N (система TN-C)

Запрещается использовать в качестве N-проводника

543.2.5

 

РЕ (система TN-S)

Допускается использовать в качестве единств венного РЕ-проводника, если удовлетворяются требованиям п. 543.2.4

543.2.1, 543.2.4

Рекомендуется использовать в качестве РЕ-проводника при выполнении требований п. 1.7.79 ПУЭ

PEN (система TN-C)

Запрещается использовать в качестве PEN-проводника

543.2.5

В системах TN-C использование СПЧ в качестве одного из PEN-проводников неизбежно (см. п. 547.1.2).

  1. Требования, предъявляемые к PEN-проводнику для обеспечения им функций N-проводника, должны обеспечиваться за счет собственных параметров (в первую очередь, проводимости) 4-й жилы кабеля, без учета проводимости СПЧ.
  2. Требования, предъявляемые к PEN-проводнику для обеспечения им функций РЕ-проводника, должны обеспечиваться за счет полной проводимости эквивалентного PEN-проводника, образованного параллельно соединенными 4-й жилой кабеля, сторонними проводящими частями (СПЧ) и землей.
  3. При определении наименьшего допустимого (по условию нагрева) сечения 4-й жилы кабеля необходимо установить действительное токораспределение при о.к.з. между 4-й жилой, СПЧ и землей. Причем термическая стойкость кабеля при о.к.з. не должна ограничиваться условиями нагревания 4-й жилы кабелей, выполняющей функции PEN-проводника

Исходя из сформулированных положений, перейдем к сравнительному анализу нормативов (см. табл. 14), определяющих наименьшее сечение 4-й жилы кабелей, используемых в системах TN.

Из сравнения норм ПУЭ и стандартов МЭК следует, что в последних предъявляются более жесткие требования к проводимости четвертой жилы кабелей, используемых в системах TN (см. табл. 14). В ПУЭ регламентируется общее сечение N-, РЕ- и PEN-проводников, при этом не предъявляются обязательные требования к сечению четвертой жилы кабеля независимо от выполняемых ею функций (N-, РЕ- или PEN-проводник). В стандартах МЭК предъявляются обязательные требования к сечению четвертой жилы кабеля, выполняющей функции N-, РЕ- или PEN-проводника в зависимости от сечения фазной жилы, при этом проводимость СПЧ во внимание не принимается. В частности, согласно стандартам МЭК четвертую жилу кабеля можно использовать в качестве PEN-проводника, если ее сечение не менее 16 мм2 (алюминий) или 10 мм" (медь).
При сечениях фазной жилы до 25 мм2 (алюминий) или 16 мм2 (медь) сечение четвертой жилы кабеля при использовании ее в качестве N-проводника, а следовательно, и PEN-проводника должно быть не менее сечения фазной жилы независимо от проводящих свойств СПЧ. Как показали выполненные ВНИИПроектэлектромонтажом и трестом «Татэлекгромокгаж» теоретические и экспериментальные исследования токораспределения между четвертой жилой кабеля, СПЧ и землей при о.кз., этого сечения достаточно при использовании четвертой жилы кабеля в качестве PEN-проводника для кабелей сечением до 120 мм2 (алюминий) и 95 мм2 (медь). При большем сечении фазной жилы наименьшее допустимое по термической стойкости при о.к з. сечение четвертой жилы четырехжильных кабелей, используемых в системе TN, должно быть увеличено.
Результаты исследования зависимости относительных токов четвертой жилы кабеля |aPEN от относительной площади ее поперечного сечения aPEN для различных сечений фазной жилы кабеля SL, представлены на рис. 2. Здесь же показана зависимость ц (а) для гипотетического проводника, характеризующегося равенством плотности тока этого проводника при любом значении а плотности тока фазного проводника:
Таблица 3.


Материал

Наименьшее сечение четвертой жилы четырехжнльных кабелей в системе TN-C, мм\ при номинальном сечении фазной жилы SL, мм2

 

10

16

25

35

50

70

95

120

150

185

240

300

400

Алюминий

 —

16

25

25

25

25

25

25

35

70

120

185

240

Медь

10

16

16

16

16

16

16

25

35

70

120

185

240

Как показали результаты теоретического исследования [20], для кабеля без металлических защитных покровов (МЗП) сечением более 240 мм2 четвертая жила, шунтированная СПЧ, оказывается перегруженной в режиме однофазного к.з. (ОКЗ), если ее сеченне равно или меньше 50% сечения фазной жилы. Расчеты, выполненные по той же методике для 4-жильных кабелей с алюминиевой оболочкой (бронированных и небронированных) [20], показали, что при использовании такой оболочки в качестве PEN-проводника не требуется увеличивать уменьшенное сечение четвертой жилы кабеля при любом сечении фазных жил. Более того, расчеты показали, что для кабелей с алюминиевой оболочкой (бронированных и небронированных) при сечении фазной жилы до 240 мм сечение четвертой жилы при ее использовании в качестве PEN-проводника, шунтированного алюминиевой оболочкой кабеля. может быть уменьшено до 25 мм" (по алюминию) [20].
Важность и нетривиальность полученного теоретического результата обусловили необходимость его экспериментального подтверждения |20], [21].
Данные в главе 5.3. нормативные рекомендации для РЕ- и PEN-проводников соответствуют следующим положениям:

    1. Значение эквивалентного погонного сопротивления сторонних проводящих частей (СПЧ), в качестве которых используются строительные конструкции. изменяется в пределах:

0.42 Ом/км  —  для легких спальных и железобетонных каркасов произволе г- венных зданий;
0.32 Ом/км  — для массивных стальных каркасов производственных зданий.

    1. Натурные измерения тока ОКЗ в цепях использующих естественные проводящие свойства стальных и железобетонных каркасов производственных зданий, подтвердили возможность использования последних в качестве PEN-проводников.
    2. Наименьшие сечения четвертой жилы используемых в системе TN-C кабелей без металлических защитных покровов (МЗП) должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 15.
    3. При сечении фазной жилы кабеля без МЗП, не превышающим 120 мм' (по алюминию), сечение четвертой жилы при использовании ее в качестве PEN-проводника, шунтированного СПЧ, может быть уменьшено до значения, определяемого стандартом МЭК для N-проводника [5].
    4. Для кабелей с алюминиевой оболочкой (бронированных и небронированных) при сечении фазной жилы до 240 мм2 сечение четвертой жилы, используемой в качестве PEN-проводника, шунгированного алюминиевой оболочкой кабеля, может быть уменьшено до значения, определяемого стандартом МЭК для N-проводника (25 мм2 для алюминия) [5].
    5. Сторонние проводящие части (СПЧ) не могут быть использованы в качестве единственного PEN-проводника электроустановки в системе TN-C.
    6. В четырехпроводных кабельных сетях при системах TN-C или TN-S должны применяться четырехжильные кабели, четвертая жила которых выполняет функцию PEN-проводника или РЕ-проводника. соответственно. При этом проводимости сторонних проводящих частей (СПЧ), а также открытых проводящих частей (ОПЧ). в том числе алюминиевые оболочки кабелей (бронированных и небронированных), шунтирующих PEN-проводник, не должны учитываться при выборе минимально необходимого сечения PEN-проводника, определяемого требованием к сечению соответствующего N-проводника. Проводимости СПЧ, а также ОПЧ. в том числе алюминиевые оболочки кабелей (бронированных и небронированных), шунтирующих PEN-проводник и РЕ- проводника, могут быть учтены при выборе минимально необходимого сечения PEN-проводника или РЕ-проводника, определяемого требованиями к сечению РЕ-проводника.

Список литературы  

  1. ГОСТ Р-50571.1 — 93 (МЭК 364-1; МЭК 364-2) Электроустановки зданий. Основные положения.
  2. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. перераб. и доп. М. Энергоатомиздат. 1987.
  3. IEC Standard. Publication 364-5-54. 1980. Earthing arrangements and protective conductors.
  4. Amendment No. 1 (July 1982) to Publication 364-5-54.
  5. IEC Standard 364-5-52. First edition. 1993-10. Selection and erection of electrical equipment. Wiring systems.
  6. IEC Standard 364-4-41. Third edition. 1992-10. Protection for safety. Protection against electric shock.
  7. Тихонов В. И. Использование металлических конструкций зданий как заземления рабочего нулевого провода. «Электричество», № 8, 1940.
  8. Kaufmann R. Н. Some Fundamentals of Equipment — Groundig Circuit Design. AIEE Trans., Vol. 73, pt. II. Appl. and Ind., Nov., 1954.
  9. Ginger Т. A., Davidson О. С, Brendel R. W. Determination of Ground — Fault, Current on Common A-C Grounded — Neutral Systems in Standard Steel or Aluminium Conduit. АШЕ Trans., Vol. 79, pt II, Appl. and Ind., May, 1960.
  10. ГОСТ P 50571.10 — 96 (МЭК 364-5-54-80). Заземляющие устройства и защитные проводники.
  11. ГОСТ Р 50571.3 — 94 (МЭК 364-4-41-92). Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током.
  12. Karyakin R. N., Yagudaev В. М., Vlasov S. P. Safety Criteria — a Basis for Choosing the Parameters of Grounding Arrangements of 50Hz Industrial Electrical Installations. Electrical Shock Safety Criteria. Proceedings of the First International Symposium on Electrical Shock Safety Criteria. Pergamon Press. New York, Oxford, Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt, 1985.
  13. ГОСТ-12.1.038 — 82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов.
  14. Карякин Р. Н. Тяговые сети переменного тока. 2-е изд. М. Транспорт. 1987.
  15. IEC Technical Report 479-1. Effects of current on human beings and livestock. Part 1: General aspects. Third edition. 1994 — 09.
  16. Карякин P. H., Солнцев В. И. Использование железобетонных фундаментов производственных зданий в качестве заземлителей. М. Энерго- атомиздат. 1988.
  17. Карякин Р. Н., Солнцев В. И. Заземляющие устройства промышленных электроустановок. Справочник М. Энергоатомиздат. 1989.
  18. Pollacheck F.Uber das Feld einer unendlich langen wechselstromdurch- flossennen Einfachleitung. Nachrichtentechnik. Bd. 3, H. 9,1926.
  19. Carson J. R. Wave Propagation in Overhead Wires with Ground Return The Bell System Technical Journal. Vol. V, № 4, Oct. 1926.
  20. Карякин P. H., Билъко Б. А, Солуянов Ю. И. Выявление возможности уменьшения сечения 4-й жилы кабеля, используемой в качестве PEN- проводника. Промышленная энергетика, № 4, 1996.
  21. Карякин Р. Н., Билько Б. А., Солнцев В. И., Солуянов Ю. И. Экспериментальное исследование токораспределения между элементами PEN-проводника. Промышленная энергетика, № 6,1996.
 
< Измерение напряжения прикосновения   Классификация электротехнических защитных средств >